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FR2860059A1 - METHOD FOR THERMALLY INSULATING A DOUBLE BACKGROUND SEPARATING TWO ERGOLS FROM A RESERVOIR - Google Patents

METHOD FOR THERMALLY INSULATING A DOUBLE BACKGROUND SEPARATING TWO ERGOLS FROM A RESERVOIR Download PDF

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FR2860059A1
FR2860059A1 FR0350566A FR0350566A FR2860059A1 FR 2860059 A1 FR2860059 A1 FR 2860059A1 FR 0350566 A FR0350566 A FR 0350566A FR 0350566 A FR0350566 A FR 0350566A FR 2860059 A1 FR2860059 A1 FR 2860059A1
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Remo Cargnello
Alain Damas
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Cryospace LAir Liquide Aerospatiale GIE
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Abstract

Le double fond (4) d'un double réservoir d'ergol est isolé thermiquement par dépôt d'un revêtement en une matière telle que la mousse de copolymère d'éthylène d'acétate de vinyle apte à résister aux pressions aussi bien qu'aux basses températures.The double bottom (4) of a double propellant tank is thermally insulated by depositing a coating of a material such as ethylene vinyl acetate copolymer foam capable of withstanding pressures as well as low temperatures.

Description

PROCEDE D'ISOLATION THERMIQUE D'UN DOUBLE FOND SEPARANTMETHOD FOR THERMALLY INSULATING A SEPARATE DOUBLE BOTTOM

DEUX ERGOLS D'UN RESERVOIRTWO ERGOLS OF A TANK

DESCRIPTIONDESCRIPTION

Le sujet de cette invention est un procédé d'isolation thermique d'un double fond d'un réservoir séparant deux ergols cryogéniques.  The subject of this invention is a method of thermal insulation of a double bottom of a tank separating two cryogenic propellants.

On appelle ici ergols cryogéniques des corps utilisés pour assurer la propulsion d'un véhicule, notamment spatial, et qui sont maintenus à des températures très basses: c'est le cas, en pratique, de l'oxygène et de l'hydrogène liquides. Les réservoirs présentent souvent deux compartiments d'ergols différents qui doivent être divisés par un double fond. Le double fond doit être mauvais conducteur de la chaleur afin d'éviter les transferts thermiques entre les deux ergols qui sont maintenus à des températures différentes, comme 20K pour l'hydrogène liquide et 90K pour l'oxygène liquide. Une conséquence d'une isolation thermique insuffisante serait la formation indésirable d'oxygène solide (sous 54K) au contact de l'oxygène liquide avec le double fond. Pour obvier à cet inconvénient, la construction traditionnelle du réservoir est celle de la figure 1: elle comprend une paroi latérale 1, une face supérieure 2, une face 3 inférieure et le double fond 4. Les faces supérieure et inférieure 2 et 3 ainsi que le double fond 4 se joignent à la paroi latérale 1 et toutes ces faces sont bombées pour résister mieux aux pressions.  Here cryogenic propellants are called bodies used to propel a vehicle, including space, and which are maintained at very low temperatures: this is the case, in practice, oxygen and liquid hydrogen. The tanks often have two compartments of different propellants which must be divided by a double bottom. The double bottom must be a poor conductor of heat in order to avoid thermal transfers between the two propellants which are maintained at different temperatures, such as 20K for liquid hydrogen and 90K for liquid oxygen. A consequence of insufficient thermal insulation would be the undesirable formation of solid oxygen (under 54K) in contact with liquid oxygen with the double bottom. To obviate this drawback, the traditional construction of the tank is that of Figure 1: it comprises a side wall 1, an upper face 2, a lower face 3 and the double bottom 4. The upper and lower faces 2 and 3 and the double bottom 4 join the side wall 1 and all these faces are curved to resist better pressures.

Un compartiment à hydrogène 5 est délimité par la paroi latérale 1, la face supérieure 2 et le double fond 4; SP 23035 JCI un compartiment à oxygène 6 est délimité par la paroi latérale 1, le double fond 4 et la face inférieure 3. Les ergols dans leurs compartiments 5 et 6 présentent chacun une interface 7 ou 8 entre le liquide et le gaz; ainsi, l'oxygène liquide n'est normalement pas en contact avec le double fond 4, mais cet avantage ne peut pas être maintenu en toutes circonstances, ce qui rend l'isolation thermique du double fond 4 indispensable.  A hydrogen compartment 5 is delimited by the side wall 1, the upper face 2 and the double bottom 4; SP 23035 JCI an oxygen compartment 6 is delimited by the side wall 1, the double bottom 4 and the lower face 3. The propellant in their compartments 5 and 6 each have an interface 7 or 8 between the liquid and the gas; thus, the liquid oxygen is normally not in contact with the double bottom 4, but this advantage can not be maintained in all circumstances, which makes the thermal insulation of the double bottom 4 essential.

Une solution efficace consiste à construire le double fond 4 sous forme de deux parois parallèles entre lesquelles le vide est instauré, mais elle est coûteuse. Une autre solution consiste à construire les compartiments 5 et 6 complètement séparés, mais ici encore au prix d'une complication de la structure du réservoir, d'une augmentation importante de sa masse et aussi d'une baisse de performance de l'étage de propulsion.  An effective solution is to build the double bottom 4 in the form of two parallel walls between which the vacuum is introduced, but it is expensive. Another solution is to build compartments 5 and 6 completely separate, but again at the cost of a complication of the tank structure, a significant increase in its mass and also a decline in performance of the floor of propulsion.

Une autre solution consiste à revêtir le double fond 4 d'une matière isolante convenable. Comme on a renoncé à la construction à deux parois, l'isolant est en contact avec l'un ou l'autre des ergols. On peut ainsi le disposer sur la face du double fond 4 donnant dans le compartiment inférieur 6. Il est alors en contact avec l'oxygène gazeux en temps normal, mais l'oxygène liquide le baigne quand le réservoir est inversé et une réaction chimique entre l'oxygène et le revêtement peut facilement s'ensuivre et conduire à une inflammation de l'ergol et à une destruction du véhicule spatial.  Another solution is to coat the double bottom 4 with a suitable insulating material. As the two-wall construction has been abandoned, the insulation is in contact with one or other of the propellants. It can thus be disposed on the face of the double bottom 4 giving in the lower compartment 6. It is then in contact with oxygen gas in normal time, but the liquid oxygen bathes when the reservoir is reversed and a chemical reaction between oxygen and coating can easily ensue and lead to ignition of propellant and destruction of the spacecraft.

SP 23035 JCI Des difficultés existent aussi si le revêtement doit être installé du côté du compartiment d'hydrogène 5, à cause de la température beaucoup plus basse qui y règne. La plupart des corps n'ont pas une résistance mécanique convenable à de telles températures. Il faut rappeler aussi que les réservoirs sont soumis à une épreuve dite de timbrage avant le remplissage en ergol, par laquelle ils sont portés à des pressions élevées de 4 à 5 bars. La plupart des matériaux isolants auxquels on pourrait penser résistent mal à ces pressions, et des destructions peuvent apparaître encore plus volontiers après le refroidissement à l'hydrogène 2: le revêtement se fissure en compromettant l'isolation, et des particules de revêtement peuvent se détacher, polluer le carburant et les filtres de l'installation. La qualité de la propulsion sera compromise.  SP 23035 JCI Difficulties also exist if the coating is to be installed on the side of the hydrogen compartment 5, because of the much lower temperature prevailing there. Most bodies do not have adequate mechanical strength at such temperatures. It should also be remembered that the tanks are subjected to a so-called stamping test before filling in propellant, by which they are brought to high pressures of 4 to 5 bars. Most of the insulating materials one might think of are poorly resistant to these pressures, and destructions may appear even more readily after hydrogen cooling 2: the coating cracks, compromising the insulation, and coating particles can come off. , pollute the fuel and the filters of the installation. The quality of the propulsion will be compromised.

L'invention consiste toutefois à revêtir le côté froid d'un double fond du genre déjà défini d'une matière convenable, dont l'intégrité est maintenue après les épreuves qu'elle doit subir successivement. En premier lieu, elle doit être souple pour se déformer à un effort de compression, notamment pendant l'épreuve de timbrage effectuée à température ambiante avant de revenir à sa forme initiale sans dégradation quand la pression est relâchée. En second lieu, elle doit résister aux basses températures auxquelles les ergols sont portés, et notamment à la température de l'hydrogène liquide dans la plupart des applications envisagées. Enfin, elle ne doit pas avoir la capacité SP 23035 JCI de produire des particules susceptibles de colmater un filtre.  The invention, however, consists in putting on the cold side of a double bottom of the already defined kind of a suitable material, the integrity of which is maintained after the tests it has to undergo successively. First, it must be flexible to deform to a compressive stress, especially during the stamping test performed at room temperature before returning to its original form without degradation when the pressure is released. Second, it must withstand the low temperatures to which propellants are carried, and especially the temperature of liquid hydrogen in most applications envisaged. Finally, it must not have the ability JCI SP 23035 to produce particles likely to clog a filter.

Une matière polymérique qui répondra à ces exigences est la mousse de copolymère d'éthylène acétate de vinyle réticul ée à cellules fermées, qui possède une faible densité et une bonne valeur de conductivité thermique de 0,035 à 0,040W/mk. Cette matière a la faculté de durcir à basse température et de ne pas se déformer quand elle est soumise à la pression de service, en sol et en vol. Elle est cependant bien souple à la température ambiante, et résiste à la pression de timbrage tout en se prêtant à un mode de réalisation avantageux, où elle se présente sous forme de panneaux produit s séparément et qu'on assemble par façonnage au double fond. Des ajustements des panneaux à pression permettent d'obtenir une étanchéité à l'hydrogène liquide.  A polymeric material that will meet these requirements is the closed-cell cross-linked ethylene vinyl acetate copolymer foam, which has a low density and good thermal conductivity value of 0.035 to 0.040W / mk. This material has the ability to cure at low temperatures and not deform when subjected to service pressure, soil and flight. It is, however, very flexible at ambient temperature, and withstands the stamping pressure while being suitable for an advantageous embodiment, where it is in the form of panels produced separately and which is assembled by shaping at the double bottom. Adjustments of the pressure panels make it possible to obtain a tightness with liquid hydrogen.

Un mode particulier de réalisation de l'invention sera maintenant décrit. Bien qu'il soit préféré aujourd'hui, il n'est évidemment pas limitatif.  A particular embodiment of the invention will now be described. Although it is preferred today, it is obviously not limiting.

Les figures 1 et 2 qui appuient la description représentent pour la première une structure de réservoir et pour la seconde un détail en coupe du double fond.  Figures 1 and 2 which support the description represent for the first a reservoir structure and for the second a sectional detail of the double bottom.

Les pièces du réservoir et notamment du double fond 4 sont réalisées en tôle métallique en alliage d'aluminium 2219. Le double fond 4 comprend une tôle 9 continue et une structure alvéolaire 10 composée de bandes entrecroisées délimitant des alvéoles ou cellules. La structure alvéolaire 10 est placée du côté du réservoir à hydrogène 5 et aussi de la couche SP 23035 JCI isolante 11 qui est le sujet de l'invention. Cette couche présente une épaisseur comprise entre environ 30 et 40mm, la hauteur de la structure alvéolaire 10 étant d'environ 25mm. La face supérieure de la couche 11 est lisse et la face inférieure est façonnée avec des rainures 12 qui s'ajustent sur la structure alvéolaire 10. Une couche de colle 13 lie la couche isolante 11 au double fond 4.  The parts of the tank and especially the double bottom 4 are made of aluminum alloy sheet metal 2219. The double bottom 4 comprises a continuous sheet 9 and a honeycomb structure 10 composed of intersecting strips delimiting cells or cells. The honeycomb structure 10 is placed on the side of the hydrogen reservoir 5 and also on the insulating JCI SP 23035 layer 11 which is the subject of the invention. This layer has a thickness of between about 30 and 40 mm, the height of the honeycomb structure 10 being about 25 mm. The upper face of the layer 11 is smooth and the lower face is shaped with grooves 12 which fit on the honeycomb structure 10. A layer of adhesive 13 binds the insulating layer 11 to the double bottom 4.

La face du double fond 4 qui portera la couche isolante 11 est d'abord préparée afin de lui conférer une tension superficielle suffisante pour assurer l'adhérence du primaire d'accrochage. Elle peut prendre différentes formes bien connues de l'homme du métier. Ainsi elle consiste généralement en une opération de dégraissage alcalin et une opération de décapage sulfochromique pour les surfaces d'aluminium, suivie d'un rinçage à l'eau déminéralisée ou d'un émerisage à l'aide d'un papier abrasif de grade fin ou encore de sablage au corindon de faible granulométrie pour éviter de dégrader le métal.  The face of the double bottom 4 which will carry the insulating layer 11 is first prepared to give it a sufficient surface tension to ensure the adhesion of the bonding primer. It can take various forms well known to those skilled in the art. Thus, it generally consists of an alkaline degreasing operation and a sulfochromic etching operation for the aluminum surfaces, followed by a rinsing with demineralized water or a grinding using a fine-grade abrasive paper or sandblasting corundum small particle size to avoid degrading the metal.

Dans un délai aussi court que possible, généralement de moins de 8 heures afin d'éviter une nouvelle pollution de la surface, l'étape de préparation de la surface est suivie d'une opération de projection d'un primaire d'accrochage. Il s'agit avantageusement d'un époxy choisi principalement pour conserver ses propriétés jusqu'à une température cryogénique d'environ 20K. La formulation d'un kilogramme est la suivante: PZ 820 (fournisseur SODIEMA) : 280+2g Tolène (fournisseur PROLABO) : 292g+2g SP 23035 JCI Xylène (fournisseur PROLABO) : 143g+2g Ether-monoethylique de l'éthylique glycol (fournisseur PROLABO) : 90g+2g HZ820 (fournisseur SODIEMA) : 196g+2g Colorant rouge microlite (fournisseur VANTICO) : 0,415g+0,010g (le mélange doit être de couleur uniforme) Lorsque certaines partie de la structure métallique du double fond 4 telles que les inserts ou autres ne doivent pas être recouvertes d'isolation thermique, on place au préalable des éléments de masquage sur les emplacements correspondants.  As quickly as possible, generally less than 8 hours to avoid further surface pollution, the surface preparation step is followed by a projection operation of a primer. It is advantageously an epoxy chosen mainly to maintain its properties up to a cryogenic temperature of about 20K. The formulation of one kilogram is as follows: PZ 820 (SODIEMA supplier): 280 + 2g Tolene (PROLABO supplier): 292g + 2g SP 23035 JCI Xylene (supplier PROLABO): 143g + 2g Ether-monoethyl ether of ethyl glycol ( PROLABO supplier): 90g + 2g HZ820 (supplier SODIEMA): 196g + 2g Red microlite dye (supplier VANTICO): 0.415g + 0.010g (the mixture should be uniform in color) When some of the metal structure of the double bottom 4 such inserts or others must not be covered with thermal insulation, it is previously placed masking elements on the corresponding locations.

La surface ainsi protégée peut être isolée dans un délai maximum de 90 jours après la polymérisation du primaire afin d'éviter une pollution de la surface. Un ravivage du primaire à l'alcool dénaturé au minimum 12 heures avant l'opération de collage de la protection thermique permet de dépasser ce délai de 12 jours environ.  The surface thus protected can be isolated within a maximum period of 90 days after the polymerization of the primer in order to avoid a pollution of the surface. A reviving of the primary alcohol denatured at least 12 hours before the bonding operation of the thermal protection allows to exceed this period of 12 days.

L'épaisseur de la couche du primaire d'accrochage est avantageusement comprise entre 10 et 50 microns et de préférence proche de 20 microns.  The thickness of the layer of the primer is advantageously between 10 and 50 microns and preferably close to 20 microns.

On colle ensuite sur la surface ainsi préparée et revêtue du primaire la couche d'isolation 11 avec un adhésif apte à supporter les températures cryogéniques sans perdre son intégrité. Cet adhésif doit entre autres être compatible avec les matériaux dont il assure le collage. Il peut appartenir à la famille des époxydes et notamment consister en Araldite (marque déposée) AY103/HY953F de la société VANTICO.  The insulating layer 11 is then adhered to the surface thus prepared and coated with the primer with an adhesive capable of withstanding the cryogenic temperatures without losing its integrity. This adhesive must, among other things, be compatible with the materials it glues. It may belong to the family of epoxides and in particular consist of Araldite (registered trademark) AY103 / HY953F from the company VANTICO.

SP 23035 JCI L'application de l'adhésif s'effectue de préférence au rouleau directement sur la face de l'isolant destinée à être collée. La masse est avantageusement comprise entre 150 et 200 g/m2. La couche isolante 11 est avantageusement une mousse de copolymère d'éthylène acétate de vinyle comme l'évazote (marque déposée) de la société ZOTEFOAMS. Sa densité est faible (50kg/m2) de même que sa conductivité thermique (0,040W/m.K). La matière est très souple à température ambiante et peut être poinçonnée à chaud très facilement pour y former les rainures 12. La température de poinçonnage est de 80 C. La couche isolante 11 est produite par panneaux qui sont posés à la main de manière à recouvrir la zone à protéger en appliquant une légère pression. Les panneaux sont joints sans jeu, avec au contraire une pression de serrage latéral. La souplesse de la matière isolante est assez grande pour qu'on puisse se dispenser d'y établir des dépouilles aux bords des rainures 12, qui pourraient fournir des poches d'air qu'il conviendrai d'évacuer. On attend une polymérisation de l'adhésif au minimum de 36 heures pour manipuler le réservoir. On a constaté que l'épreuve de timbrage ne détériorait nullement la couche isolante 11, qui revenait à son état initial à la fin de l'épreuve. En service, la couche isolante 11 durcit au fur et à mesure que la température baisse au point de ne plus se déformer aux pressions internes contenues alors dans le réservoir. Enfin, elle n'est pas à apte à se dissocier en particules.  SP 23035 JCI The adhesive is applied preferably by roller directly to the face of the insulation to be glued. The mass is advantageously between 150 and 200 g / m2. The insulating layer 11 is advantageously an ethylene vinyl acetate copolymer foam such as evazote (registered trademark) from the company ZOTEFOAMS. Its density is low (50kg / m2) as is its thermal conductivity (0.040W / m.K). The material is very flexible at ambient temperature and can be hot stamped very easily to form the grooves 12. The punching temperature is 80 C. The insulating layer 11 is produced by panels which are laid by hand so as to cover the area to be protected by applying light pressure. The panels are joined without play, with a lateral clamping pressure. The flexibility of the insulating material is large enough to be able to dispense with establishing struts at the edges of the grooves 12, which could provide air pockets that should be evacuated. At least 36 hours of polymerization of the adhesive is expected to manipulate the reservoir. It was found that the stamping test did not in any way damage the insulating layer 11, which returned to its initial state at the end of the test. In use, the insulating layer 11 hardens as the temperature drops to no longer deform at internal pressures then contained in the tank. Finally, it is not able to dissociate itself into particles.

SP 23035 JCI D'autres matières, notamment polymériques, pourront être utilisées en plus de celle qu'on a mentionnée pour peu qu'elles possèdent les propriétés de résistance définies plus haut.  SP 23035 JCI Other materials, especially polymeric, may be used in addition to the one mentioned as long as they have the strength properties defined above.

SP 23035 JCIJCI SP 23035

Claims (7)

REVENDICATIONS 1. Procédé d'isolation thermique d'un double fond de réservoir séparant deux ergols cryogéniques, caractérisé en ce qu'il consiste à déposer sur une des faces du double fond, plus froide qu'une face opposée, un revêtement isolant.  1. A method of thermal insulation of a double bottom tank separating two cryogenic propellants, characterized in that it consists in depositing on one side of the double bottom, colder than an opposite face, an insulating coating. 2. Procédé d'isolation thermique d'un double fond selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière du revêtement est une mousse en copolymère d'éthylène-acétate de vinyle.  2. A method of thermal insulation of a double bottom according to claim 1, characterized in that the material of the coating is an ethylene-vinyl acetate copolymer foam. 3. Procédé d'isolation thermique d'un double fond selon la revendication 2, caractérisé en ce que la mousse est collée avec un adhésif de la famille des époxydes.  3. Thermal insulation process of a double bottom according to claim 2, characterized in that the foam is bonded with an adhesive of the family of epoxies. 4. Procédé d'isolation thermique d'un double fond selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le revêtement isolant est déposé sur une surface en relief (10) du double fond (4).  4. A method of thermal insulation of a double bottom according to any one of the preceding claims, characterized in that the insulating coating is deposited on a raised surface (10) of the double bottom (4). 5. Procédé d'isolation thermique d'un double fond selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière polymérique est fabriquée en panneaux façonnés d'après la forme du double fond, puis déposés sur le double fond avec une juxtaposition à pression.  5. Thermal insulation process of a double bottom according to any one of the preceding claims, characterized in that the polymeric material is manufactured in panels shaped according to the shape of the double bottom, and then deposited on the double bottom with a pressure juxtaposition. 6. Procédé d'isolation thermique d'un double fond selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière polymérique est déposée sur une face supérieure du double fond, dans un compartiment à hydrogène liquide (5) du réservoir, une face inférieure du double fond, SP 23035/JCI opposée à la face supérieure, donnant dans un compartiment à oxygène liquide (6) du réservoir.  6. A method of thermal insulation of a double bottom according to any one of the preceding claims, characterized in that the polymeric material is deposited on an upper face of the double bottom, in a liquid hydrogen compartment (5) of the reservoir, a lower face of the double bottom, SP 23035 / JCI opposite to the upper face, giving in a liquid oxygen compartment (6) of the reservoir. 7. Procédé d'isolation thermique d'un double fond selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière polymérique a la propriété de résister sans dommage à des pressions de 4 à 5 bars en compression.  7. The method of thermal insulation of a double bottom according to any one of the preceding claims, characterized in that the polymeric material has the property of resisting without damage to pressures of 4 to 5 bars in compression. SP 23035 JCIJCI SP 23035
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